聚合反應(yīng)工程_1

1、聚合反應(yīng)工程基礎(chǔ)聚合反應(yīng)工程基礎(chǔ)浙江大學(xué)浙江大學(xué) 史子謹史子謹 主編主編 學(xué)期計劃學(xué)時數(shù) ： 32 授 課 班 級 高分子1201-02 授 課 教 師 嚴正權(quán) 本課程主要內(nèi)容本課程主要內(nèi)容1、化學(xué)反應(yīng)工程基礎(chǔ)化學(xué)反應(yīng)工程基礎(chǔ)2、化工流變學(xué)基礎(chǔ)化工流變學(xué)基礎(chǔ)3、聚合反應(yīng)工程分析聚合反應(yīng)工程分析4、攪拌和混合的基本原理攪拌和混合的基本原理5、聚合釜的傳熱聚合釜的傳熱與傳質(zhì)與傳質(zhì)6、聚合反應(yīng)器的放大聚合反應(yīng)器的放大聚合物反應(yīng)過程教學(xué)參考書目錄聚合物反應(yīng)過程教學(xué)參考書目錄以下教學(xué)參考書，可到圖書館查閱1 計其達主編聚合過程及設(shè)備，化學(xué)工業(yè)出版社 北京 1981 2 聚合反應(yīng)工程基礎(chǔ)陳甘堂著，中國石化

2、出版社19913 高分子化學(xué)，韓哲文編，華東理工大學(xué)出版社，20014 潘祖仁, 高分子化學(xué)M, 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011（第五版）5 王槐三 ，高分子化學(xué)M, 北京：科學(xué)出版社，2011（第三版）6 張興英, 高分子化學(xué)M, 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，20067 唐黎明, 高分子化學(xué)M, 北京：清華大學(xué)出版社，20098 潘才元, 高分子化學(xué)M, 合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，20121、課程的地位與作用、課程的地位與作用 聚合反應(yīng)工程聚合反應(yīng)工程是化學(xué)反應(yīng)工程的一門分支學(xué)科。它是研究聚合物制造中的化學(xué)反應(yīng)工程問題。 聚合反應(yīng)工程基礎(chǔ)是高分子類專業(yè)的專業(yè)課，通過課堂教學(xué)，使學(xué)生掌握和了解：

3、 (1) (1)化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程 （以工業(yè)規(guī)模進行的化學(xué)規(guī)律作為研究對象，以化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)和傳質(zhì)過程作為主要基礎(chǔ)。）(2)(2)進行聚合反應(yīng)器的最佳設(shè)計進行聚合反應(yīng)器的最佳設(shè)計(3)(3)進行聚合反應(yīng)操作的最佳設(shè)計與控制進行聚合反應(yīng)操作的最佳設(shè)計與控制 （攪拌釜內(nèi)流體的攪拌、混合、傳熱）為學(xué)生以后在聚合過程技術(shù)開發(fā)方面打下基礎(chǔ)。為學(xué)生以后在聚合過程技術(shù)開發(fā)方面打下基礎(chǔ)。第一章第一章 緒論緒論聚合反應(yīng)工程聚合反應(yīng)工程化工機械及儀表化工機械及儀表高分子工藝高分子工藝高分子化學(xué)高分子化學(xué)化學(xué)工程化學(xué)工程系統(tǒng)系統(tǒng)工程工程聚合反應(yīng)工程是連接化學(xué)工藝與工程的一門學(xué)科聚合反應(yīng)工程是連接化學(xué)工藝與工程

4、的一門學(xué)科。 聚合反應(yīng)的特點聚合反應(yīng)的特點：（1）反應(yīng)機理多樣，動力學(xué)關(guān)系復(fù)雜，重現(xiàn)性差，且微量雜質(zhì)的影響較大；（2）在聚合過程中，除要考慮轉(zhuǎn)化率外，聚合度及其分布、共聚物的組成及其分布、聚合物的結(jié)構(gòu)等等；（3）聚合裝置中傳熱、傳質(zhì)和動量傳遞等過程相當(dāng)復(fù)雜；（4）聚合反應(yīng)器的設(shè)計、放大等受到相當(dāng)因素的限制，聚合反應(yīng)工程的發(fā)展還相當(dāng)不完善，發(fā)展較為緩慢，等等。1、聚合物材料普遍化、聚合物材料普遍化2、生產(chǎn)裝置大型化生產(chǎn)裝置大型化橡膠、塑料、纖維、涂料、黏合劑等等。橡膠、塑料、纖維、涂料、黏合劑等等。2、課程的發(fā)展概況、課程的發(fā)展概況生產(chǎn)裝置大型化：生產(chǎn)裝置大型化：本課程總學(xué)時為本課程總學(xué)時為32

5、32學(xué)時，通過課堂教學(xué)，使學(xué)生掌學(xué)時，通過課堂教學(xué)，使學(xué)生掌握聚合反應(yīng)工程分析、攪拌釜內(nèi)流體的攪拌、混合、握聚合反應(yīng)工程分析、攪拌釜內(nèi)流體的攪拌、混合、傳熱等規(guī)律。傳熱等規(guī)律。 3、課程的教學(xué)目標(biāo)與基本要求、課程的教學(xué)目標(biāo)與基本要求考試方法：考試方法：閉卷考試閉卷考試第二章第二章 化學(xué)反應(yīng)工程基礎(chǔ)化學(xué)反應(yīng)工程基礎(chǔ)第一節(jié)第一節(jié) 化學(xué)反應(yīng)和反應(yīng)器分類化學(xué)反應(yīng)和反應(yīng)器分類第二節(jié)第二節(jié) 均相反應(yīng)動力學(xué)均相反應(yīng)動力學(xué)第三節(jié)第三節(jié) 理想反應(yīng)器的設(shè)計理想反應(yīng)器的設(shè)計第四節(jié)第四節(jié) 理想混合反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性理想混合反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性第五節(jié)第五節(jié) 連續(xù)流動反應(yīng)器的停留時間分布連續(xù)流動反應(yīng)器的停留時間分布第六節(jié)第六節(jié)

6、 流動模型流動模型第七節(jié)第七節(jié) 停留時間分布與化學(xué)反應(yīng)停留時間分布與化學(xué)反應(yīng)1、 化學(xué)反應(yīng)的分類化學(xué)反應(yīng)的分類第一節(jié)第一節(jié) 化學(xué)反應(yīng)和反應(yīng)器分類化學(xué)反應(yīng)和反應(yīng)器分類（1 1） 按化學(xué)反應(yīng)的特性分類按化學(xué)反應(yīng)的特性分類反應(yīng)機理反應(yīng)機理簡單反應(yīng)、復(fù)雜簡單反應(yīng)、復(fù)雜反應(yīng)反應(yīng)反應(yīng)級數(shù)反應(yīng)級數(shù)一級、二級、三一級、二級、三級、零級、分級、零級、分數(shù)級反應(yīng)數(shù)級反應(yīng)反應(yīng)的可逆性反應(yīng)的可逆性可逆反應(yīng)、不可可逆反應(yīng)、不可逆反應(yīng)逆反應(yīng)反應(yīng)熱效應(yīng)反應(yīng)熱效應(yīng)放熱反應(yīng)、吸熱放熱反應(yīng)、吸熱反應(yīng)反應(yīng)反應(yīng)分子數(shù)反應(yīng)分子數(shù)單分子、雙分子、單分子、雙分子、三分子反應(yīng)三分子反應(yīng)均相反應(yīng)均相反應(yīng)催化反應(yīng)催化反應(yīng)氣相反應(yīng)、液相反應(yīng)氣相反

7、應(yīng)、液相反應(yīng)非催化反應(yīng)非催化反應(yīng)非均相反應(yīng)非均相反應(yīng)催化反應(yīng)催化反應(yīng)液液- -液相、氣液相、氣- -液相、液液相、液- -固相、氣、固相固相、氣、固相非催化反應(yīng)非催化反應(yīng)氣氣- -固相、固相、氣固相、固相、氣- -液液- -固相固相（2 2） 按反應(yīng)物料的相態(tài)分類按反應(yīng)物料的相態(tài)分類操作方式操作方式間歇反應(yīng)、半連續(xù)反應(yīng)、連續(xù)反應(yīng)間歇反應(yīng)、半連續(xù)反應(yīng)、連續(xù)反應(yīng)溫度條件溫度條件等溫反應(yīng)、絕熱反應(yīng)、非絕熱變溫等溫反應(yīng)、絕熱反應(yīng)、非絕熱變溫反應(yīng)反應(yīng)（3 3） 按反應(yīng)過程進行的條件分類按反應(yīng)過程進行的條件分類2、 反應(yīng)速率反應(yīng)速率 對于均相反應(yīng)，一般以反應(yīng)體積為基準(zhǔn)，反應(yīng)速率可定義為：單位時間、單位反應(yīng)

8、體積內(nèi)所生成（或消失）的某組分的摩爾數(shù)，即： 式中ri為體系中i組分的反應(yīng)速率，ni為i組分的摩爾數(shù)，V為反應(yīng)體積。當(dāng)反應(yīng)為恒容體系時： 式中Ci為體系中i組分的濃度，其中正號表示某組分的生成速率，負號表示消失的速率。對于某化學(xué)反應(yīng)：各組分的反應(yīng)速率表達為：各組分的反應(yīng)速率之間存在如下關(guān)系：對于某化學(xué)反應(yīng)：各組分的反應(yīng)速率表達為：各組分的反應(yīng)速率之間存在如下關(guān)系：3、反應(yīng)器的分類反應(yīng)器的分類反應(yīng)器種類反應(yīng)器種類反應(yīng)特性反應(yīng)特性反應(yīng)類型舉例反應(yīng)類型舉例適用設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式適用設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式均相均相氣相氣相液相液相 無相界面，無相界面，反應(yīng)速率只與反應(yīng)速率只與溫度或濃度有溫度或濃度有關(guān)關(guān)燃燒、裂解等

9、燃燒、裂解等中和、酯化、水解等中和、酯化、水解等管式管式釜式釜式非均相非均相氣氣- -液相液相液液- -液相液相氣氣- -固相固相液液- -固相固相固固- -固相固相氣氣- -液液- -固固相相 有相界面，有相界面，實際實際 反應(yīng)速反應(yīng)速率與相率與相 界面界面大小及相大小及相 間間擴散速率有關(guān)擴散速率有關(guān)氧化、氯化、加氫等氧化、氯化、加氫等磺化、硝化、烷基化等磺化、硝化、烷基化等燃燒、還原、固相催化等燃燒、還原、固相催化等還原、離子交換等還原、離子交換等水泥制造等水泥制造等加氫裂解、加氫脫氫等加氫裂解、加氫脫氫等釜式、塔式釜式、塔式釜式、塔式釜式、塔式固定床、流化床、移動固定床、流化床、移動床

10、床釜式、塔式釜式、塔式回轉(zhuǎn)筒式回轉(zhuǎn)筒式固定床、流化床固定床、流化床（1） 按物料相態(tài)分類的反應(yīng)器種類按物料相態(tài)分類的反應(yīng)器種類結(jié)構(gòu)型式結(jié)構(gòu)型式適用的相態(tài)適用的相態(tài)應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例反應(yīng)釜（包括反應(yīng)釜（包括多釜串聯(lián)）多釜串聯(lián)）液相、氣液相、氣- -液相、液液相、液- -液液相、液相、液- -固相固相苯的硝化、氯乙烯聚合、高壓聚乙烯、順苯的硝化、氯乙烯聚合、高壓聚乙烯、順丁橡膠聚合等丁橡膠聚合等管式管式氣相、液相氣相、液相清油裂解、甲基丁炔醇合成、高壓聚乙烯清油裂解、甲基丁炔醇合成、高壓聚乙烯等等鼓泡塔鼓泡塔氣氣- -液相、氣液相、氣- -液液- -固（催固（催化劑）相化劑）相變換氣的碳化、苯的烷基

11、化、二甲苯氧化、變換氣的碳化、苯的烷基化、二甲苯氧化、乙烯基乙炔合成等乙烯基乙炔合成等固定床固定床氣氣- -固（催化或非催化）固（催化或非催化）相相二氧化硫氧化、氨合成、乙炔法制氯乙烯、二氧化硫氧化、氨合成、乙炔法制氯乙烯、乙苯脫氫、半水煤氣生產(chǎn)等乙苯脫氫、半水煤氣生產(chǎn)等流化床流化床氣氣- -固（催化或非催化）固（催化或非催化）相，特別是催化劑很相，特別是催化劑很快失活的反應(yīng)快失活的反應(yīng)硫鐵礦焙燒、萘氧化制苯酐、石油催化裂硫鐵礦焙燒、萘氧化制苯酐、石油催化裂化、乙烯氧氯化制二氯乙烷、丙烯氨化、乙烯氧氯化制二氯乙烷、丙烯氨氧化制丙烯腈等氧化制丙烯腈等回轉(zhuǎn)筒式回轉(zhuǎn)筒式氣氣- -固相、固固相、固-

12、-固相固相水泥制造等水泥制造等噴霧式噴霧式氣相、高速反應(yīng)的液相氣相、高速反應(yīng)的液相氯化氫合成、天然氣裂解制乙炔氯化氫合成、天然氣裂解制乙炔（2） 按反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)型式分類按反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)型式分類反應(yīng)釜反應(yīng)釜 適用于液相，液-液相、氣-液相以及液-固相反應(yīng)；反應(yīng)釜中設(shè)有攪拌裝置，以保證反應(yīng)物料在釜中的流動，混合與傳熱等。管式反應(yīng)器管式反應(yīng)器 主要用于快速地氣相和液相反應(yīng)，尤其是對于有壓力的反應(yīng)。反應(yīng)物料從一端進入管中，從另一端排除產(chǎn)物和未反應(yīng)的物料。反應(yīng)器中反應(yīng)物的組成隨著管長而連續(xù)變化。塔式反應(yīng)器塔式反應(yīng)器 這是一種長徑比較大的反應(yīng)器，在其內(nèi)部設(shè)有擋板或填充物固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器 這是一種垂直

13、圓筒形或圓錐型容器，內(nèi)部裝有催化劑或參與反應(yīng)的細小固體顆粒，反應(yīng)流體從頂端進入，產(chǎn)物從下端流出流化床反應(yīng)器流化床反應(yīng)器（3） 按操作方式分類按操作方式分類間歇反應(yīng)器間歇反應(yīng)器連續(xù)反應(yīng)器連續(xù)反應(yīng)器半連續(xù)反應(yīng)器半連續(xù)反應(yīng)器0Ct間歇反應(yīng)器特點：間歇反應(yīng)器特點：1 1、反應(yīng)物料一次加入，、反應(yīng)物料一次加入，產(chǎn)物一次取出。產(chǎn)物一次取出。2 2、非穩(wěn)態(tài)操作，反應(yīng)、非穩(wěn)態(tài)操作，反應(yīng)器內(nèi)濃度、溫度隨反應(yīng)器內(nèi)濃度、溫度隨反應(yīng)時間連續(xù)變化。時間連續(xù)變化。3 3、同一瞬時，反應(yīng)器、同一瞬時，反應(yīng)器內(nèi)各點溫度相同、濃度內(nèi)各點溫度相同、濃度相同。相同。間歇反應(yīng)器間歇反應(yīng)器連續(xù)反應(yīng)器連續(xù)反應(yīng)器0Ct反應(yīng)物反應(yīng)物A反應(yīng)物

14、反應(yīng)物B生成物生成物R連續(xù)反應(yīng)器特點：連續(xù)反應(yīng)器特點：1 1、反應(yīng)物料連續(xù)加、反應(yīng)物料連續(xù)加入，反應(yīng)產(chǎn)物連續(xù)入，反應(yīng)產(chǎn)物連續(xù)引出。引出。2 2、穩(wěn)態(tài)操作，反應(yīng)、穩(wěn)態(tài)操作，反應(yīng)器內(nèi)任一點的組成器內(nèi)任一點的組成不隨時間改變。不隨時間改變。半連續(xù)反應(yīng)器半連續(xù)反應(yīng)器AB0Ct半連續(xù)反應(yīng)器特點：半連續(xù)反應(yīng)器特點：1 1、某些反應(yīng)物料一次、某些反應(yīng)物料一次加入，其余物料連續(xù)加加入，其余物料連續(xù)加入，或者將某種產(chǎn)物連入，或者將某種產(chǎn)物連續(xù)取出。續(xù)取出。2 2、非穩(wěn)態(tài)操作。、非穩(wěn)態(tài)操作。3、連續(xù)流動反應(yīng)器內(nèi)流體流動的兩種理想形態(tài)連續(xù)流動反應(yīng)器內(nèi)流體流動的兩種理想形態(tài)平推流反應(yīng)器平推流反應(yīng)器理想混合流反應(yīng)器理想混合流反應(yīng)器平推流反應(yīng)器平推流反應(yīng)器反應(yīng)物反應(yīng)物A反應(yīng)物反應(yīng)物B 活塞流反應(yīng)器活塞流反應(yīng)器生成物生成物R平推流反應(yīng)器特點：平推流反應(yīng)器特點：1 1、在穩(wěn)態(tài)操作時，在反應(yīng)器的每個截面上，物料、在穩(wěn)態(tài)操作時，在反應(yīng)器的每個截面上，物料濃度不隨時間變化。濃度不隨時間變化。2 2、所有物料質(zhì)點在反應(yīng)器中的停留時間都相同。、所有物料質(zhì)點在反應(yīng)器中的停留時間都相同。2 2、反應(yīng)器內(nèi)物料濃度沿著流動方向改變，故反應(yīng)、反應(yīng)器內(nèi)物料濃度沿著流動方向改變，故反應(yīng)速率隨空間位置改變，即反應(yīng)速率的變化只限于速率